The Measurement of 3-Dimensional Block Bone Mineral Density of Proximal Humerus-Using Quantitative Computed Tomography in Patients with Unilateral Rotator Cuff Tear –

Abstract

Introduction: We intended to measure the clinically important region-specific volumetric bone mineral density (vBMD) in 3-dimensional blocks of the proximal humerus using quantitative computed tomography (QCT) in patients with unilateral rotator cuff tear (RCT). We also attempted to assess the clinical factors affecting vBMD of the proximal humerus and to evaluate the relationship between vBMD of the proximal humerus and BMD of the hip and lumbar spine measured using conventional DXA. It was hypothesized that there is a significant difference in vBMD of the proximal humerus between the side with RCT and the contralateral side, and that there is a significant difference in vBMD between different regions of the proximal humerus in patients with unilateral rotator cuff tear. We also hypothesized that the prediction of local osteoporosis of the proximal humerus can be made using some clinical parameters and BMD of the hip and lumbar spine measured by conventional DXA.

Methods: From April 2010 to July 2011, 65 patients (28 men, 37 women, mean age of 60.9 ± 7.2 years (range, 42-74 years)) who underwent arthroscopic repair of unilateral RCT without any contralateral shoulder pain or disease were enrolled, and we collected the data of both the shoulders. CT scanning was performed and the data was processed using dedicated software (Mimics version 13.0, Materialise, Belgium). Through data processing, vBMD of the block can be calculated using the known mathematical relationship between Hounsfield units and vBMD (mg/cm3). Considering the suture bridge technique which has been performed frequently for rotator cuff repair in recent years, we pre-defined seven clinically important blocks of interest in the proximal humerus (i.e., medial and lateral blocks of the surgical neck, anteromedial, posteromedial, anterolateral, and posterolateral blocks of the greater tuberosity (GT), and central block of the humeral head). The blocks of the GT mimic the shape and orientation of the insertion sites of suture anchors, and two medial blocks and two lateral blocks were designed taking into account the medial row anchors and suture bridge technique, respectively.

Results: The vBMD values in all seven blocks of the affected shoulder were significantly lower than those in all seven blocks of the asymptomatic contralateral shoulder (p<0.05). In both the shoulders, the four different blocks of the GT showed significantly different vBMD values, that is, the vBMD value was the highest in the posterolateral portion of the GT followed by the anterolateral portion of the GT, and the vBMD value was the lowest in the anteromedial and posteromedial portions of the GT. In female patients, the vBMD values in all blocks except those in the anterolateral portion of the GT of the affected shoulder were significantly lower than those in all blocks of the GT of the affected shoulder in male patients. There were no significant correlations between the clinical factors (age, duration of symptoms, shoulder stiffness, arm dominance, tear size, retraction, fatty degeneration of the rotator cuff muscles, smoking, and level of sports and working activity) and the vBMD of the GT in the affected shoulder. There was a significant, but a weak correlation between vBMD of the GT in the affected shoulder and the areal BMDs of the hip and lumbar spine measured by conventional DXA (range of PCC, 0.302 to 0.488).

Conclusions: The present study demonstrates that vBMD of the GT in the affected shoulder is significantly lower than that of the GT in the asymptomatic contralateral shoulder in patients with unilateral rotator cuff tear, and that the vBMD is the highest in the posterolateral portion of the GT and the lowest in the medial row. The vBMD values from this study will provide valuable information on the planning of rotator cuff repair with suture anchors using the suture bridge technique. In addition, we could not predict vBMD of the proximal humerus accurately using the BMD values measured in the hip and lumbar spine by conventional DXA and clinical factors other than the female gender. Thus, there is a need for direct measurement of bone quality of the proximal humerus in patients planning to undergo rotator cuff repair using suture anchors.

서론: 저자들은 정량적 전산화 단층촬영을 사용해 3차원 블록을 지정하여 근위 상완골의 임상적으로 중요한 부위별 체적 골밀도(volumetric bone mineral density, vBMD)를 측정하고자 하였다. 편측 회전근 개 파열이 있는 환자에서 양측 근위 상완골의 부위별 vBMD를 측정하고자 하였으며 근위 상완골의 vBMD에 영향을 미치는 임상 인자를 평가하고 고관절 및 척추에서 측정된 골밀도 값과의 관련성도 보고자 하였다. 본 연구의 가설은 편측 회전근 개 파열이 동반된 환자에서 양측 어깨간 및 근위 상완골 내의 부위에 따라 유의한 골밀도의 차이가 있고 몇몇 임상적 인자 및 고관절 및 요추에서 DXA를 이용해 측정한 골밀도를 이용해 근위 상완골의 국소 골다공증 여부를 예측할 수 있다는 것이었다.

방법: 2010년 4월부터 2011년 7월까지 편측 회전근 개 파열로 관절경적 복원술을 시행 받는 환자 중 반대측 견관절 통증 또는 질환력이 없는 환자 65명(남자 28명, 여자 37명, 평균 연령 61세(연령범위 42-74세))을 대상으로 하였다. 양측 견관절에 대한 CT검사를 시행하였고 전용 프로그램 (벨기에 Materialise사의 Mimics® 버전 13.0)을 사용해 자료를 처리하였다. 이 과정을 통해, Hounsfield unit과 vBMD간의 수학적 관계를 사용해서 블록의 vBMD를 계산하였다. 최근 많이 사용되는 교량형 복원술에서의 봉합나사 삽입 위치 및 각도를 고려하여 대결절에 4개의 3차원 블록을 설정하였으며 골두 중앙에 1개, 외과적 경부에 2개의 블록을 설정하였다. 대결절 내의 블록은 봉합 나사 삽입 부위의 모양 및 방향을 고려한 것으로, 내측의 2개 블록 및 외측의 2개 블록은 각각 내측열의 봉합 나사 및 교량형 기법을 고려하여 고안된 것이다.

결과: 7개의 블록에서 얻어진 골밀도 값은 환측에서 무증상 반대측에 비해 유의하게 낮았다(p<0.05). 양측 견관절에서 대결절 내의 4개 블록 간의 골밀도는 유의한 차이를 나타냈다. 대결절의 후외측 블록에서 vBMD가 가장 높았고 전외측이 그 다음이었으며 전내측 및 후내측 블록에서 가장 낮았다. 여자에서는 환측에서 전외측 블록을 제외한 부위의 vBMD가 남자보다 유의하게 낮았다. 성별을 제외한 임상 인자(연령, 파열 크기, 지방변성, 증상 이환 기간, 강직 여부, 흡연력, 스포츠 및 작업 활동도)는 대결절 부위의 골밀도와 유의한 관계가 없었다. 고관절 및 척추에서 측정한 골밀도 값은 환측 견관절의 대결절 부위의 골밀도와 유의한 관련성이 있었으나 그 상관 정도가 약하였다(Pearson 상관계수의 범위, 0.302에서 0.488).

결론: 본 연구는 편측 회전근 개 파열이 있는 환자에서 환측 대결절부 골밀도가 무증상 반대측 골밀도에 비해 유의하게 낮다는 것을 입증하였고 대결절 내에서도 후외측 부위가 가장 골밀도가 높고 내측열에서 골밀도가 가장 낮다는 것을 입증하였다. 본 연구에서 얻은 골밀도 값은 교량형 복원술을 사용해서 봉합 나사를 삽입하여 회전근 개를 봉합하는 수술에 소중한 정보를 제공할 수 있을 것이다. 해당 수술을 계획하는 환자에서 중요한 지표가 될 수 있다. 또한 임상 인자와 고관절 및 척추 등 타 부위의 골밀도 값으로 근위 상완골의 골밀도를 정확하게 예측하는 것은 어려웠습니다. 따라서, 봉합나사를 사용해서 회전근 개 복원술을 예정한 환자에서는 근위 상완골에 대한 직접적인 골질 평가가 선행되어야 하겠습니다.